Не стоит объяснять происхождение фосфина экзотическими причинами

Недавняя статья в Nature Astronomy (Jane Greaves et al.) [1] об обнаружении газа фосфина (РН₃) в атмосфере Венеры наделала много шума, так как это соединение было в 2019 году предложено в качестве индикатора жизни. Путем анализа спектров с двух мощных телескопов ALMA и JCMT определена концентрация около 20 ppb (частей на миллиард).

Связь между фосфином и наличием жизни обсуждалась и ранее, но в основном это вещество рассматривалось в качестве источника химически активного фосфора, в то время как многие фосфаты — кальция, магния, железа — нерастворимы и трудно усваиваются живыми организмами.

Логика статьи строится на отрицании известных источников фосфина. Анализируются все возможные варианты происхождения фосфина (поступление с метеоритами из космоса, фотохимический синтез из соединений фосфора в высокой степени окисления в атмосфере, вулканическая деятельность, синтез из фосфатов от удара молниями и др.) и утверждается, что ни один из этих источников не может дать такого большого количества рассматриваемого вещества в атмосфере Венеры.

В качестве объяснения авторы статьи делают предположение о происходящих на Венере пока неизвестных геологических или фотохимических процессах, и, наконец, упоминается возможность происхождения фосфина в результате деятельности живых организмов в атмосфере Венеры. Предполагается, что бактериальная жизнь могла образоваться на поверхности этой планеты много лет назад, когда там была еще жидкая вода, а потом переместиться в атмосферу. Сейчас средняя температура на поверхности Венеры — около 460 °С.

Главный аргумент авторов статьи — расчет скорости фотохимического разрушения фосфина, который определяет необходимость поступления фосфина с той же скоростью.

Что вызывает сомнение после внимательного изучения этой статьи:

1. Громадное количество фосфина, которое авторы пытаются приписать действию живых организмов, — получается порядка 10¹³ кг (масса атмосферы Венеры — 4,8 × 10²⁰ кг). Надо сказать, что во всей биомассе Земли содержится 2 × 10¹³ кг фосфора (биомасса 2420 млрд тонн, содержание фосфора — около 1%), при этом в земной атмосфере содержание фосфина — триллионные доли (свободный кислород в атмосфере все-таки). То есть если фосфин поступил от жизнедеятельности, то атмосфера Венеры буквально кишит жизнью.
2. Термодинамические расчеты действительно показывают, что фосфин должен достаточно полно реагировать с углекислым газом (содержание СО₂ в атмосфере Венеры — 96,5%, остальное в основном азот) или с примесными газами. Однако оценка кинетики образования и разрушения фосфина, мягко говоря, спорная и недостаточно обоснованная. Кинетику взаимодействия фосфина с углекислым газом при разных примесях, температурах, давлениях, при воздействии света необходимо тщательно экспериментально исследовать, прежде чем делать далекоидущие заключения. Фосфин даже в сухом воздухе при обычной температуре на Земле может существовать довольно долго, поэтому он используется в качестве газа-фумиганта — для уничтожения вредителей, причем продукты, обработанные этим газом, оставляют на воздухе на несколько дней. Имеются устройства, генерирующие фосфин вместе с углекислым газом. Возможно, при отсутствии свободного кислорода в атмосфере Венеры фосфин может накапливаться достаточно долгое время из различных источников.
3. Для любого химика наиболее очевидный источник поступления фосфина — от взаимодействия воды или кислоты с фосфидами разных металлов. Вопрос: откуда фосфиды? На нашей планете фосфиды встречаются. На поверхности Земли это в основном шрейберзит и другие подобные минералы из метеоритов.

   Считается, что от 1 до 10% фосфора, присутствующего в настоящее время на Земле, появилось из метеоритов [2]. Но по расчетам авторов статьи скорость поступления фосфидов на Венеру с метеоритами не может компенсировать разрушение фосфина в результате фотохимических реакций. Однако в глубинах Земли, в металлическом ядре, фосфидов, по-видимому, много. И недавно в районе Мертвого моря в Израиле Сергей Бритвин с сотрудниками из Института наук о Земле СПбГУ и Университета им. Бен-Гуриона обнаружил несколько минералов — фосфидов земного происхождения; результаты опубликованы в Scientific Reports (международном научном журнале из группы Nature) [3, 4].

   О поверхности и коре Венеры сведений немного. Вулканическая деятельность на этой планете сейчас несильная, но раньше она была интенсивной, и поверхность Венеры в значительной степени покрыта базальтом. В базальте часто встречаются сульфиды — похожие по химическому поведению на фосфиды. В продуктах выветривания пород Венеры ожидается преимущественное накопление серы в форме сульфидов, содержание которых может достигать 10% массы [5]. В верхних слоях атмосферы Венеры уже давно обнаружили сероводород, также заявлявшийся в качестве индикатора жизни. Недавно опубликованы данные об обнаружении фосфидов в базальтах подводных вулканических построек Японского моря, что рассматривается в качестве доказательства эндогенного источника фосфора при образовании жизни на Земле [6].

   Поэтому сульфиды и фосфиды вполне могут содержаться и в базальтовых породах Венеры, хотя прямых доказательств этому пока нет. На Венере постоянно идут кислотные дожди. Серная кислота может существовать на поверхности и в жидком виде. Ее температура кипения — 337 °С при нормальном давлении, а при давлении около 90 атм на поверхности Венеры температура кипения серной кислоты около 500 °С. При взаимодействии кислоты с фосфидами легко выделяется фосфин. Очевидно, что было бы резонно провести эксперименты по обработке базальтов, содержащих фосфиды, серной кислотой при высокой температуре, чтобы определить, насколько при этом пассивируется поверхность базальтов.

Авторы недостаточно тщательно проанализировали такую возможность. Хотя сами они осторожно упомянули иные варианты происхождения наблюдаемого фосфина, кроме жизнедеятельности, СМИ обратили внимание только на эту последнюю, самую спорную версию. Объяснять любое наблюдаемое явление экзотическими причинами, а не более естественными — не вполне научный подход.

Борис Жуйков, докт. хим. наук, радиохимик,
специалист по высокотемпературным газохимическим методам разделения элементов

1. nature.com/articles/s41550-020-1174-4
2. livescience.com/22641-cosmic-phosphorus-first-life-astrobiology.html
3. spbu.ru/sites/default/files/phosphides_levant.pdf
4. spbu.ru/news-events/krupnym-planom/zhizn-na-zemle-zarozhdalas-v-okrestnostyah-mertvogo-morya
5. galspace.spb.ru/index507.html
6. elib.pstu.ru/vufind/EdsRecord/edselr,edselr.35325947

«На Венере, ах, на Венере…»